餐廚垃圾堆肥產品施用對水稻產量及土壤環境的影響

王站付 邱韓英 陸利民 徐四新 楊曉磊 林天杰 朱恩

摘要：為了評估餐廚垃圾堆肥產品的肥效和安全性，以南粳46為研究對象，設計2組餐廚垃圾堆肥產品配施量（LKWC、HKWC），以當地習慣配施商品有機肥量（CK）為對照，開展1季水稻田間試驗，對水稻產量、試驗前后土壤的物理化學性狀、微生物量、重金屬含量等指標分別進行檢測。結果表明，與商品有機肥處理（CK）相比，等量施入餐廚垃圾堆肥產品（LKWC）可以維持水稻產量，并且對于改善土壤的理化性質、提升土壤速效養分含量和保肥性能、促進土壤中微生物的生長繁殖、增加土壤微生物數量等均有顯著效果，高量施入餐廚垃圾堆肥產品（HKWC）雖然可以顯著增加水稻產量，但是對土壤電導率的提高、As的積累存在不利風險。

關鍵詞：商品有機肥;餐廚垃圾堆肥產品;水稻;產量;土壤環境;影響

中圖分類號： S141.4 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0093-05

隨著我國畜禽養殖業的快速發展和居民生活水平的提高，大量畜禽糞便和餐廚垃圾等有機固體廢棄物產生。由于畜禽糞便會散發出惡臭，且餐廚垃圾具有高含水率、高鹽分含量、高油脂含量等特點，如果處置不當，會導致嚴重的環境問題[1]。

商品有機肥是以畜禽糞便、植物秸稈、蔬菜殘體等為原料，經過發酵腐熟后制成含碳有機物料。由于有機肥養分全面，因此可以提供作物生長必需的元素，有利于作物產量的提高，施用后肥效持久，具有培肥改土的作用，在提高農作物的抗逆性及品質、風味等方面也有重要作用，因此近年來逐漸被種植戶接受[2]。餐廚垃圾由于具有高含水率、高有機質含量和高氯含量的特性而不利于填埋或焚燒處理，若不及時處置易散發腐臭氣味，影響居民生活。近年來，國內一些大中型城市不斷探索餐廚垃圾資源化利用的新模式，處理方法包括高溫好氧堆肥、厭氧發酵、養殖蚯蚓后利用蚓糞殘渣作肥料、干燥熱處理和濕熱處理等。其中，將餐廚垃圾進行好氧堆肥是處理餐廚垃圾的有效途徑之一[3-4]。目前，餐廚垃圾堆肥產品已被應用于園林綠地[5]、栽培基質中[6]，在農用地上也有少量應用及探索研究[7-8]。

本研究以水稻為試驗材料，通過田間試驗，從生態安全角度出發探討不同量餐廚垃圾堆肥產品施入對水稻產量、土壤微生物、土壤理化環境等的影響，并與當地習慣施入商品有機肥用量處理進行對照，研究餐廚垃圾堆肥產品在水稻上的適宜施用量和替代商品有機肥的可行性，以期為今后大面積推廣餐廚垃圾堆肥產品農用提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點在上海市寶山區羅涇鎮寶豐園糧食專業合作社基地（121°19′28.65″E、31°27′31.13″N），土壤類型為水稻土，質地為沙性壤土，根據土壤肥力等級標準判斷屬中等肥力，肥力均勻。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為南粳46，前茬作物是小麥;栽培模式為水旱輪作。

供試肥料：42%水稻配方肥（含有24% N、8% P2O5、10% K2O）;商品有機肥（主要成分為豬糞、鴿糞、稻糠等，有機質含量為60.09%，全氮含量為3.01%，全磷含量為3.37%，全鉀含量為1.79%）;餐廚垃圾堆肥產品（主要成分為餐廚垃圾、稻糠，有機質含量為67.31%，全氮含量為4.57%，全磷含量為1.02%，全鉀含量為0.54%），尿素（46% N）。

1.3 試驗設計

本試驗設置2種不同物料的有機肥料產品（商品有機肥、餐廚垃圾堆肥產品），以當地習慣的化肥施肥配施商品有機肥（7.5 t/hm2）作為CK，以當地習慣的化肥施肥配施2個不同梯度（7.5、22.5 t/hm2）的餐廚垃圾堆肥產品作為研究對象（分別記作LKWC、HKWC），共3個處理（表1），比較習慣配施商品有機肥（CK）、等量餐廚垃圾堆肥產品（LKWC）及高用量餐廚垃圾堆肥產品（HKWC）對水稻生長和土壤環境的影響。

試驗設3個處理（3重復），每個試驗區的面積為222.23 m2，試驗區面積共計2 000 m2。于2018年6月5日開始翻地，之后劃分試驗小區，水稻移栽時間為2018年6月10日?；示谝圃郧笆┤?，返青肥于移栽后1周施用、分蘗肥于6月25日追施，長粗肥于7月25日追施，8月10日追施拔節孕穗肥，10月27日進行水稻收割測產。

1.4 樣品的采集與測定項目、測定方法

1.4.1 樣品采集 在進行小區試驗前及試驗后，用土鉆采集試驗地土壤耕作層混合樣品2 kg，將樣品分為2份，1份土壤鮮樣用于測定微生物數量（細菌、真菌、放線菌），另1份土樣風干磨細后備用。檢測項目為pH值、養分含量、鹽分含量、有機質含量、重金屬含量、土壤油脂含量、微生物含量。在施入供試有機肥前，采集試驗用商品有機肥和餐廚垃圾堆肥樣品1 kg，檢測養分含量。在水稻成熟后，每個處理按樣方收割帶回實驗室統計性狀。水稻收割后測定實際產量。

1.4.2 測定方法 含水量的測定采用烘干法;有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;pH值的測定采用pH計;電導率（EC）在水土質量比為5 ∶ 1的條件下用電導法測定;全氮含量的測定采用半微量凱氏法;全磷含量的測定采用鉬銻抗比色法;全鉀含量的測定采用氫氟酸-高氯酸法;有效磷在用0.5 mol/L NaHCO3（pH值8.5）浸提后，使用鉬銻抗比色法測定其含量;速效鉀在用1 mol/L NH4OAc（pH值為7.0）浸提后，使用火焰光度法測定其含量;陽離子交換量采用氯化銨-乙酸銨交換法測定;重金屬元素先用H2SO4-H2O2消解，再用原子吸收分光光度法測定其含量[9];分別用牛肉膏蛋白胨、馬丁氏培養基、改良高氏一號培養基培養細菌、真菌、放線菌，再用平板培養計數法統計微生物數量[10]。水稻產量性狀（每穗總粒數、有效穗數、千粒質量）采用常規方法進行測定。

1.5 統計分析

試驗數據用Excel 2010軟件進行初步處理，用SPSS 19.0軟件進行統計分析，并用最小顯著性差異法（LSD）比較處理間的差異顯著性，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻產量構成的影響

由表2可知，HKWC處理水稻的有效穗數、結實率、千粒質量和實際產量均最高;LKWC處理水稻的有效穗數、千粒質量、實際產量與CK相比差異不顯著，表明施用等量餐廚垃圾堆肥產品與常規商品有機肥對水稻產量結構的影響相似，高量增施餐廚垃圾堆肥產品能顯著增加水稻的有效穗數和實粒數、千粒質量，優化水稻的穗粒結構，從而有效提高水稻產量。與CK相比，HKWC處理的實際產量增加了5.05%;LKWC較CK略有減產，但差異不顯著。由此可見，施用同量餐廚垃圾堆肥產品較商品有機肥對水稻產量的影響不大，增加餐廚垃圾堆肥產品施用量對水稻增產有效。

2.2 不同處理對土壤物理、化學性質的影響

由表3可知，與試驗前的基礎土樣相比，施用有機肥、餐廚垃圾堆肥產品后土壤的pH值、有機質含量、總鹽含量無顯著變化，施用餐廚垃圾堆肥產品處理的電導率、有效磷含量、速效鉀含量基本顯著上升，并且隨著肥料施用量的增加而上升，高量施用餐廚垃圾堆肥產品對土壤中陽離子交換量的提升效果顯著，等量施用商品有機肥、餐廚垃圾堆肥產品對土壤中全氮含量、速效鉀含量、陽離子交換量均有所下降，速效鉀、有效磷養分含量均有所提升。與處理前相比，CK、LKWC、HKWC處理的有效磷含量分別增加56.67%、0.87%、14.21%，速效鉀含量分別增加0.72%、3.35%、7.18%;與CK相比，LKWC、HKWC處理的電導率分別增加41.70%、43.21%。本研究結果表明，施用餐廚垃圾堆肥產品對土壤pH值、有機質含量、總鹽含量的影響不顯著，但是可以顯著提高土壤的電導率和速效養分含量。

2.3 不同處理對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤生態系統中的重要組成部分，其群落結構組成及群落結構變化在一定程度上反映了土壤質量及其功能性。有機肥和餐廚垃圾堆肥本身富含大量微生物和有機物質，其中有機物質可為微生物生長繁殖提供有利條件，因而施用有機肥和堆肥產品后土壤中的微生物數量會發生明顯變化[11]。由表4可以看出，與試驗前的基礎土樣相比，CK、LKWC、HKWC處理的土壤細菌、真菌、放線菌生物量均明顯增加。在試驗后期，施用有機肥和堆肥產品的細菌生物量排序為LKWC>CK>HKWC，高量施用餐廚垃圾堆肥產品對土壤細菌數量增加不顯著;真菌生物量排序為CK>LKWC>HKWC，施用商品有機肥處理的真菌生物量較高，隨著餐廚垃圾堆肥產品施用量的增加，真菌生物量呈下降趨勢;放線菌生物量排序為HKWC>LKWC>CK，施用餐廚垃圾堆肥產品處理土壤放線菌含量顯著高于有機肥處理，高量施用餐廚垃圾與低量施用處理之間的差異不顯著（表4）。

2.4 不同有機肥及其施用量對土壤重金屬含量的影響

土壤環境質量會影響作物的生長、結實及品質，目前土壤中的重金屬含量已經成為評價土壤環境質量的一項重要指標。如表5所示，施用有機肥和堆肥產品后，與試驗前基礎土樣相比，僅As含量呈顯著增加的趨勢，其余元素含量均呈下降趨勢或無顯著變化。土壤中Cu、Cr含量均呈現CK>HKWC>LKWC的趨勢;Zn含量呈現HKWC>CK>LKWC的趨勢;Pb、Hg含量均呈現LKWC>HKWC>CK的趨勢;3組處理間的Cd含量無明顯差異;As含量表現出HKWC>LKWC>CK的趨勢。在7種重金屬中，僅As含量呈現出隨著有機肥、餐廚垃圾堆肥產品施用量的增加而累積的趨勢，其他元素含量未呈現受施入有機肥、堆肥產品影響而使土壤重金屬含量增加的現象。施入等量餐廚垃圾堆肥產品對土壤Cu、Zn、Cr含量的影響低于商品有機肥，表明餐廚垃圾堆肥產品中重金屬含量較為安全，等量替代商品有機肥施入不會對土壤環境增加風險，但是高量施入餐廚垃圾堆肥產品可能有增加土壤As含量的風險。

3 討論

3.1 配施餐廚垃圾堆肥對土壤有機質、養分含量及水稻產量的影響

餐廚垃圾內含有大量營養物質，主要成分是油脂和蛋白質，且富含碳、氮元素，有機物含量較為豐富，是有機質的主要來源。餐廚垃圾堆肥產品不但營養成分齊全，有機質含量高，而且雜質少，重金屬含量低，有毒物質少，具有很大的農業應用價值[12]。有研究發現，施用餐廚垃圾堆肥產品能顯著提高農田土壤有機質、全氮和速效鉀等養分含量，與單施化肥相比，可顯著增加土壤氮含量，增強土壤酶活性[13-14]。土壤肥力的物質基礎是土壤有機質，有機質含量的增加可有效改善土壤的物理性能，調節土壤的酸堿平衡，提高作物根系活力，促進作物生長，從而提高農作物產量。

本研究結果表明，施用餐廚垃圾堆肥產品處理的電導率、有效磷、速效鉀、水稻產量均顯著上升，并且隨著肥料施用量的增加而上升，HKWC處理的水稻產量比CK增加了5.05%，與商品有機肥配施處理相比，施用餐廚垃圾堆肥處理的速效鉀含量增幅為2.64%～6.41%。在本研究中，高量施用餐廚垃圾堆肥產品的陽離子交換量（CEC）比試驗前提升了8.23%，陽離子交換量是土壤可能保持的養分數量特征，是土壤緩沖性能的主要來源，可作為評價土壤保肥能力的指標，是改良土壤和合理施肥的重要依據，說明施用一定量的餐廚垃圾堆肥產品可以提高土壤的保肥性能。由于配施餐廚垃圾堆肥產品后，一方面通過產品釋放營養元素直接補充了稻田系統中的土壤養分，另一方面由于堆肥產品肥效緩慢，可以調節土壤的保肥性能，使水稻在各生育階段得到更為均衡的營養，從而提高了水稻產量。較多研究者通過對番茄、油菜、青菜等多種農作物應用餐廚垃圾堆肥產量進行研究發現，適量施用餐廚垃圾堆肥產品后均不同程度地提高了農作物產量[7，15-16]。不容忽視的是，施用餐廚垃圾堆肥產品后電導率增加幅度為9.88%～11.05%，由于電導率與鹽分含量存在正相關關系，長期大量施用餐廚垃圾堆肥產品在土壤中易形成鹽分積累而產生土壤鹽漬化。

3.2 配施餐廚垃圾堆肥對土壤環境的影響

Pascual等研究發現，餐廚廢棄物中含有大量氮和碳水化合物，可以作為土壤微生物的氮源和能源，從而增加土壤微生物菌群，提高土壤生物量，為作物高產提供良好的土壤微生物環境[17]。本研究發現，施入有機肥和餐廚垃圾堆肥產品后的土壤微生物數量均不同程度地增加，表明通過配施一定量的有機肥和堆肥產品均利于土壤中微生物的生長繁殖，有益微生物的增加改善了土壤環境，促進土壤及根際微生物的增長。同等施入量的餐廚垃圾堆肥產品細菌數、放線菌數均顯著高于商品有機肥，但高量施用餐廚垃圾堆肥產品，并不利于細菌和真菌數量的持續增加，對土壤放線菌數量的增加也不顯著，具體原因還有待進一步分析檢測。

劉赫等的長期定位試驗結果表明，長期施用有機肥顯著增加了土壤中的Cd、Pb、Zn、Cu含量[18]。由于有機肥中飼料添加劑的使用，集約化畜禽養殖糞便中的重金屬含量較高。研究發現，以雞糞、鴿糞為原料生產的有機肥中As含量通常較高，以豬糞為原料生產的有機肥中Cu、Zn的含量較高，這可能與畜禽養殖過程中使用的飼料、添加劑含大量重金屬有關[19-20]。餐廚垃圾的主要成分為淀粉類食物殘余、蔬菜、動植物油、肉骨等，化學組成分類為淀粉、纖維素、蛋白質、脂類和無機鹽，食品一般符合安全標準，重金屬含量較低[21]。由本研究結果可以看出，施入商品有機肥和餐廚垃圾堆肥產品后，土壤中的As含量均呈現出增加趨勢，然而等量施入餐廚垃圾堆肥產品的安全性整體優于商品有機肥，餐廚垃圾堆肥產品施入可以降低土壤中的部分重金屬元素含量，但是隨著餐廚垃圾堆肥產品的高量施入，對重金屬含量的降低影響趨弱，As含量持續增加。由此可見，長期施入商品有機肥及餐廚垃圾堆肥產品的累積效應須引起重視，只有合理施用，才能在獲得作物高產優質的同時，實現土壤生態環境的良性發展。

4 結論

相較于商品有機肥，施用等量餐廚垃圾堆肥產品可以維持水稻的產量，對于改善土壤理化性質、提升土壤速效養分含量和保肥性能、促進土壤中微生物的生長繁殖、促進放線菌數量增加、土壤重金屬含量的影響較小。高量施入餐廚垃圾堆肥產品雖然能夠顯著增加水稻產量，提高土壤放線菌數量，但是會對土壤電導率提升、土壤As含量的積累產生一定的影響。綜合來看，餐廚垃圾堆肥后還田是一條有效的資源化利用途徑，不但營養成分齊全，有機質含量高，而且雜質少，重金屬含量低，有毒物質少，具有很大的推廣利用價值，可以代替商品有機肥少量應用于農田。但是，當餐廚垃圾堆肥施用量過多時易造成電導率和As含量提高，從而對土壤環境產生不利影響，須要引起重視。

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